眾所周知，光速是一道牢不可破的障礙，我們只能無(wú)限接近于它。狹義相對(duì)論并沒(méi)有限制接近光速的程度，只要能獲得足夠的能量，就可以離光速更近一步。但是，還有另一個(gè)速度限制，那就是0.9999999999999999999998c，這個(gè)特定的數(shù)值專門適用于質(zhì)子，被稱為GZK極限。為什么質(zhì)子不能比這個(gè)特定速度更快？要了解其中原理，我們先要從驗(yàn)電器講起。

驗(yàn)電器是一種非常簡(jiǎn)單的設(shè)備，它由一個(gè)金屬盤（球）和一個(gè)金屬桿組成，在桿的末端有一對(duì)非常薄的金屬箔，然后一個(gè)玻璃罩把一部分桿和金屬箔罩住以提供絕緣體保護(hù)。該設(shè)備能夠測(cè)量其金屬盤或金屬球捕獲的總電荷：電荷會(huì)通過(guò)金屬桿傳到金屬箔上，帶電的金屬箔會(huì)相互排斥而張開，張開的角度越大，帶的電荷就越多。

如果我們先給驗(yàn)電器充電，那么我們就可以通過(guò)驗(yàn)電器來(lái)測(cè)量空氣電離。如果空氣中沒(méi)有自由電荷，那么驗(yàn)電器將保留其電荷。如果空氣中存在大量自由電荷，那么驗(yàn)電器會(huì)吸引缺失的電荷來(lái)中和自身，使金屬箔張角變小。這種空氣電離在19世紀(jì)就已經(jīng)被測(cè)量到，但當(dāng)時(shí)這種電離的原因尚不清楚，直到1896 年亨利·貝克爾發(fā)現(xiàn)輻射。

貝克爾發(fā)現(xiàn)某些元素（如鈾），會(huì)衰變并發(fā)射可以產(chǎn)生空氣電離的顆粒。但是，所有這些元素都在地面，預(yù)計(jì)空氣的電離在靠近地面的地方會(huì)更大。因此，如果把驗(yàn)電器放在靠近地面的地方，它應(yīng)該放電得更快。而在高一點(diǎn)的地方，放電的速度應(yīng)該會(huì)較慢，因?yàn)榭諝怆婋x應(yīng)該隨著高度而降低。

對(duì)于每一個(gè)理論，都需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，并且這個(gè)證明這非常容易。1909年，特奧多爾·沃爾夫(Theodor Wulf)試圖測(cè)量埃菲爾鐵塔頂部的電離。測(cè)量的結(jié)果是，這里的電離度比地面還低。然而，令他驚訝的是，這里的電離度比他預(yù)期的還要高。這種隨著高度的增加電離度非常緩慢減少的情況，不能用來(lái)自地面的輻射進(jìn)一步解釋。

下一場(chǎng)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)發(fā)生在1912年，維克多·赫斯(Victor Hess)在氣球上放了兩個(gè)驗(yàn)電器，并讓其到達(dá)超過(guò)地面5公里的高度。隨著高度的緩慢上升，電離度最初確實(shí)下降了。但令維克多驚訝的是，當(dāng)氣球的高度升至一定程度后，電離度竟然開始上升了，這證明有輻射來(lái)自天空。

當(dāng)時(shí)最合乎邏輯的論點(diǎn)是輻射來(lái)自太陽(yáng)，但是我們可以在夜間或日食期間進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并沒(méi)有測(cè)量到來(lái)自太陽(yáng)的影響。今天我們知道有來(lái)自太陽(yáng)的輻射，但這些粒子的能量較低，相對(duì)于宇宙射線來(lái)說(shuō)影響相對(duì)較小。

1938 年，法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾·奧杰(Pierre Auger)檢測(cè)到了相關(guān)輻射事件。有一系列測(cè)量輻射的探測(cè)器，當(dāng)其中一個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到輻射增加時(shí)，其他探測(cè)器也會(huì)在一定時(shí)間延遲后檢測(cè)到輻射增加。經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間延遲的分析，他發(fā)現(xiàn)這種輻射一定來(lái)自單個(gè)宇宙事件。然后根據(jù)捕獲粒子的密度和能量，他估計(jì)產(chǎn)生這些非常廣泛的空氣簇射的原始粒子的能量一定是10^15電子伏特。也就是說(shuō)，有粒子以極高的能量撞擊大氣層。

今天我們知道，88%的宇宙輻射是由高能質(zhì)子產(chǎn)生的。這些高能質(zhì)子每單位時(shí)間每單位面積的數(shù)量，大約以能量的三次方減少。所以，如果我們?cè)O(shè)置能量為10^9電子伏特，1秒內(nèi)每平方米就有10000個(gè)質(zhì)子。對(duì)于能量為10^16電子伏特的質(zhì)子，每平方米每年將只有三個(gè)粒子。對(duì)于10^19 電子伏特的能量，每年每平方公里將只有大約一個(gè)粒子。

我們可以進(jìn)一步推斷此分析，并計(jì)算在更高的能量下找到粒子的概率 。但問(wèn)題是這個(gè)規(guī)則有一個(gè)限制，在 6.2×10^19 電子伏特的能量之后，我們幾乎檢測(cè)不到任何質(zhì)子。如果宇宙是空的，就沒(méi)有什么可以限制質(zhì)子的速度，它可以無(wú)限接近光速。但宇宙不是空的，至少還有宇宙微波背景輻射(CMB)，它是宇宙發(fā)展早期階段的遺跡。

當(dāng)質(zhì)子在CMB中移動(dòng)時(shí)，從質(zhì)子的角度來(lái)看，運(yùn)動(dòng)方向上光子的能量變高。質(zhì)子能量越高移動(dòng)得越快，CMB輻射的能量就越大，并且很快它們就開始相互作用。在GZK極限的能量，這些相互作用變得足夠顯著，足以通過(guò)所謂的delta共振過(guò)程產(chǎn)生介子。介子的產(chǎn)生有效地耗盡了質(zhì)子的能量，阻止質(zhì)子超過(guò)GZK能量閾值。

GZK極限理論受到了科學(xué)界的熱烈歡迎。然而，當(dāng)探測(cè)器開始探測(cè)到超過(guò)預(yù)測(cè)極限的宇宙射線時(shí)，情況發(fā)生了變化。如著名的“Oh my god”粒子，其能量約為2.8×10^21電子伏特。這些觀測(cè)導(dǎo)致了各種理論，要么提出宇宙射線的替代來(lái)源，要么建議修改我們對(duì)物理學(xué)的理解，如洛倫茲協(xié)變性的違反，這將允許質(zhì)子在更長(zhǎng)距離上保持其能量。